лучший драйвер шагового двигателя для 3d принтера
Какой драйвер для шагового двигателя лучше?
Если уж решил что-то делать, вначале нарисуй кинематику и прикинь какие там крутящие моменты должны быть.
Драйвер выбирается по току мотора, ток мотора напрямую влияет на крутящий момент мотора.
Так же стоит сразу думать о блоке пиатния на нормальное напряжение минимум 36 вольт и соответствующий ток, если в каждом моторе 2 ампера, то 5 моторов это уже 10 ампер, а блок питания нужен на 15 ампер.
Микрошаг влияет на звук работы в основном, т.к. точность уже после 1/16 никак не меняется а 1/16 умеет любой драйвер. 1/512 микрошаг звучит очень тихо но для фрезера это неважно.
Посмотри канал дядечки, https://www.youtube.com/watch?v=Citiq6Zfdu4 чтобы примерно представлять как вообще может быть устроен манипулятор. Там он на первый сегмент ставит nema23 с редуктором и на остальные сегменты тоже с редуктором.
Там кстати по видосам понятно что он постепенно ушёл от шаговиков, они медленные и слабые, а если ты хочешь фрезеровать то придётся использовать металл и мощность нужна ещё выше.
ЗЫ
Совсем забыл
Нужно определиться с прочностью конструкции, например ты желаешь получить точность 0.1 мм на сопле или на фрезе.
Надо посчитать какой толщины минимально должен быть корпус твоей руки, чтобы она под собственным весом не прогибалась больше чем на 0.1 мм.
Это немного сопромата, для простоты можно взять алюминиевую трубу и посчитать какой будет прогиб трубы с весом около килограмма на её конце.
Драйвера шаговых двигателей для 3D-принтера, совместимые с Ramps
Собирая 3D-принтер, нужно позаботиться о выборе хороших драйверов для управления шаговыми двигателями, так как от хорошего драйвера во многом зависит безупречность работы принтера.
Драйвера A4988
Самыми ходовыми и надежными считаются платы с чипом A4988. Драйвер обладает защитой по току и от перегрева. Имеет режим удержания: при простое двигателя ток снижается.
Чип не имеет защиты от короткого замыкания и переполюсовки. На плате нет ключей для правильного расположения на плате, неверное подключение приведет к его поломке.
• работает в диапазоне напряжений от 8 до 35 вольт, на повышенных напряжениях необходимо ставить радиатор и обдув;
• имеет дробность шагов 1:1, 1:2, 1:4, 1:8 и 1:16;
В работе драйвер нареканий не вызывает, пропуск шагов при оптимальных настройках тока и умеренной нагрузке не делает. Максимальный выдаваемый ток составляет 2 ампера. Единственный минус – при работе ощутимо шумят шаговые двигатели.
Драйвер DRV8825
Занимает второе место после популярных A4988 и также не обладает защитами от перегрева и превышения максимального тока. Нет защиты «от дурака» из-за отсутствия ключей при монтаже на плату.
К достоинствам можно отнести следующее:
• драйвер работает от 8 до 45 вольт;
• имеет поддержку повышенного тока до 2.2 А;
• дробление шага до 1:32.
В теории повышенный микрошаг должен увеличивать точность позиционирования, но как правило дробление используется для уменьшения шума от двигателей.
К недостаткам можно отнести жалобы на пропуск шагов (скорее всего, это зависит от качества сборки драйвера) и повышенный нагрев. Поэтому необходимо использовать комплектные радиаторы и желательно активное охлаждение.
Жирный минус чипа – отсутствие управления током при удержании, в статическом состоянии двигатели могут перегреться. Не рекомендуется ставить на ось Z (отвечает за перемещение по слоям).
Драйвер MKS TMC2100
С использованием дешевых драйверов шумы при работе 3D-принтера неизбежны. Однако плата с чипом TMC2100 решает эту проблему.
Плата выполнена в стандартном форм-факторе для самодельных принтеров типа Ramps, единственное неудобство – придется менять направление шаговых двигателей в прошивке или разворачивать коннектор шаговика. К достоинствам можно отнести следующее:
• рабочее напряжение от 5 до 45 вольт;
• есть функция удержания при простое мотора;
• диапазон настройки дробления шагов от 1:16 до 1:256;
В чипе присутствует собственная логика интерполяции шагов, которая делит реальный шаг еще на 16 микрошагов.
Отдельно стоит отметить два режима работы двигателя stealthChop и spreadCycle.
StealthChop отвечает за плавность работы двигателей, но его не стоит включать, если вы намерены работать с высокими скоростями из-за риска пропуска шагов.
SpreadCycle эффективно распределяет ток под нагрузкой для предотвращения перегрева двигателей.
Из минусов можно отметить следующее:
• максимальный рабочий ток 1.2 А, мощные двигатели уже не поставить;
• потенциальный пропуск шагов на высоких скоростях;
• чип находится обратной стороны платы, поэтому радиатор приходится ставить на текстолит, что не сильно помогает отводить тепло.
Драйвер LV8729
Новинка, предназначенная для 32-битных контроллеров. Совместим с Ramps-подобными платами. Драйвер бесшумный и точный, может быть хорошей альтернативой TMC2100.
В отличие от TMC, LV8729 не имеет внутренней интерполяцией шагов, а все тактирования обрабатываются, как есть.
Не рекомендуется устанавливать этот драйвер на восьмибитные платы типа Arduino Mega2560 или UNO с максимальным микрошагом, иначе можно столкнуться с пропусками из-за нехватки мощностей контроллеров.
• рабочее напряжение от 6 до 36 вольт;
• поддержка микрошага до 1:128;
• максимальный ток отдачи – 1.8A.
Из недостатков можно отметить высокий нагрев контроллера и расположение чипа на нижней части текстолита, из-за чего придется лепить радиатор на текстолит, как в случае с MKS TMC2100.
Драйвер не имеет защиты от неправильного подключения или переполюсовки.
Выбираем шаговый двигатель для 3D-принтера: особенности и назначение устройств
С появлением 3D-принтеров жизнь людей стала значительно проще. Устройства успешно используют во многих сферах — стоматологии, промышленности, ювелирном деле и медицине. Сейчас 3D-принтер — не предмет роскоши, а вполне доступная по стоимости конструкция. Но все же есть те, кто решается на самостоятельное изготовление печатающих станков. Далее поговорим о том, как выбрать шаговый двигатель для будущего 3D-принтера и какие особенности при этом стоит учесть.
Двигатель на 3D-принтере
В конструкции 3D-принтера основную функцию за движение экструдера по осям выполняют шаговые двигатели. Они имеют незначительный вес и большой крутящий момент.
Шаговый электродвигатель — это двигатель, не имеющий коллектора, у которого вращение производится не плавно, а дискретно (шагами). Задавая скорость и длительность импульсов, можно заставить устройство вращаться в определенном направлении. При этом есть возможность регулировать направление вращения и количество оборотов ротора.
Если говорить о конструкции подобных устройств, то выделяют три основных вида:
Гибридный двигатель — наиболее часто встречающаяся конструкция, которая, в свою очередь, делится на униполярный и биполярный тип.
Какие шаговые двигатели выбрать для 3D-принтера: лучшие варианты
При покупке вращающего устройства для 3D-принтера стоит обратить внимание на следующие параметры:
Самые распространенные двигатели, которые устанавливают на конструкцию печатного устройства — биполярный с четырьмя выводами. Такие конструкции в случае поломки легко найти и заменить.
В 3D-принтерах устанавливаются вращающие моторы с маркировкой NEMA.
NEMA — Национальная ассоциация производителей электрооборудования, которая стандартизировала вращающие устройства по таким параметрам, как размер фланца и посадочные параметры. Такой стандарт позволяет разным производителям выпускать двигатели по определенным параметрам в зависимости от маркировки.
Самые востребованные модели в серии NEMA:
Драйверы шаговых двигателей для 3D-принтера
Для управления двигателями в 3D-устройствах были разработаны драйверы, устанавливаемые в гнездо платы.
Драйверы бывают несколько типов:
Также при выборе драйвера стоит обращать на следующие параметры:
Собрать качественный 3D-принтер вполне реально, если следовать рекомендациям и внимательно изучить конструктивные устройства. Вполне возможно, что такой печатный станок обойдется его владельцу дешевле. Но новичкам мы рекомендуем заказывать готовые 3D-устройства в специализированных магазинах. Так вы сможете освоить азы 3D-печати и ознакомиться с устройством принтера. Желаем удачи!
Борьба за шума и тишины, жары и прохлады, расточительства и экономии, брутальности и комфорта.
Стоят ли изменения потраченных на них денег? Посмотрим. С графиками, осциллограммами, замерами шума, электричества и вибраций.
Да, и все модернизации выполнены ленивым человеком, с минимальными затратами труда, по принципу «воткнул — работает».
Кратко: драйвер — устройство, позволяющее управлять шаговым двигателем. На входе — команды на сколько шагов поворачивать вал и в какую сторону. На выходе — последовательность сигналов на обмотки электромотора. Всю кухню по преобразованию одного в другое выполняет драйвер. Драйвера бывают хорошие и не очень. Хорошие поддерживают большие выходные токи, мало греются и управляют двигателем так, что он не гудит, не греется и крутится плавно. У плохих все наоборот. Драйвера применяются везде, где есть шаговые двигатели: 3Д принтеры, станки с чпу, лазерные граверы, актюаторы и прочая техника.
У меня есть 3д принтер, Anycubic I3 Mega. Это простой и недорогой принтер с подвижным столом. В нем установлено 5 шаговых двигателей и 5 драйверов для них. Один двигает стол, второй — печатающую каретку, два двигателя установлены на оси Z, поднимая вверх балку с кареткой и последний драйвер управляет экструдером, который подает филамент к хотенду. С завода на принтере стоят драйвера A4988. Это недорогие, простые, но очень надежные драйвера. Они обеспечивают хороший крутящий момент на валу двигателя и никогда не выходят из строя. Но принтер с ними работает шумновато. С характерным звуком «з-з-з-з» как при движении роботов в фантастических фильмах. Но производитель предусмотрел возможность апгрейда, не распаяв драйвера на плате принтера, а установив их в слоты. По посадочным местам драйвера принтеров совпадают, так что апгрейд не должен быть сложным: одни вытащили, другие поставил.
Итак, что мы знаем о TMC2208? Описание этого драйвера занимает 81 страницу в pdf. Что само по себе говорит о сложности устройства и его возможностях. Весь мануал я конечно не читал, но с основными моментами ознакомился. У драйвера есть два режима работы. В первом режиме он управляется с платы принтера по uart. Во втором он ведет самостоятельную работу, выполняя тот же функционал, что и родные драйвера, но делая все элегантнее и экономичнее. Такая универсальность предоставляет вам выбор — можно за 3 минуты воткнуть новые драйвера, закрыть гештальт и наслаждаться тишиной, а можно добавить провода связи платы принтера с драйверами, перепрошить принтер, освоить новые функции. В этом случае драйвера позволят адаптивно перенастраивать управление двигателями под требования печати, снимать с драйверов данные (температуру и пр.) и делать автокалибровку стола, следя за пропусканием шагов при утыкании сопла в поверхность.
У этого драйвера сейчас на рынке есть конкурент — TMC2130. Производства той же германской фирмы. У него чуть шире функционал, но он управляется по SPI. Это более высокоскоростной, но и более капризный в интерфейс. Так что я выбрал 2208. Версия 1.2 — хороший компромисс между ценой и доведенностью. У первой версии 1.0 были недопилены некоторые функции, 1.1 отличался другой разводкой платы, которая не подходила к моему принтеру, а версии более современные, чем 1.2, обладают лишь одним значимым отличием — у них выходы на обмотки мотора совпадают с выходами 4899. Но это легко лечится, скоро мы до этого доберемся. Так что из «умных» драйверов 2208 v1.2 — дешево и сердито.
Описывать в подробностях технологии, применённые в драйвере, распиновку и команды наверное смысла нет — все это есть в мануале и такое глубокое погружение для первого ознакомления избыточно. Так что перейдем к посылке. Что же это к нам пришло?
Мне достался вариант с пятью драйверами порознь. В магазине продаются и комплекты из пяти штук сразу.
Комплект самый полный: драйвер, радиатор, степстик протектор и даже специальная отверточка для настройки. Упаковка — полиэтиленовый пакетик. Ножки защищены от загибания пенкой.
Радиатор из анодированного алюминия. Самый массивный из всех радиаторов для драйверов. Его установка стала возможной, потому что плата драйвера ориентирована вверх дном: все элементы расположены между ногами, а на внешней стороне ровная поверхность с термоинтерфейсом. Ноги модуля из гребенок разных цветов — с одной стороны синий, с другой — черный. Видимо это сделано для того, чтобы не поставить в плату задом наперед. В этом случае модуль скорее всего сгорит. У меня в принтере посадочные места без цветовой маркировки, но и там и там все ноги подписаны, так что нужно всего лишь быть внимательным при установке.
Еще на плате модуля имеется регулировочный реостат. Он задает ток на обмотках мотора. Не смотря на то, что он тоже установлен на нижней поверхности платы, вращать его можно не вынимая драйвер из слота, через отверстие в плате драйвера. Для контроля выходного тока нужно отслеживать напряжение в контрольной точке на плате.
Степстик протектор устанавливается между платой принтера и драйвером. Его назначение — фильтровать сигналы от драйвера на моторы и предотвращать обратные токи. Он состоит из 8 диодов Шотки SS34 на 3А 40В и керамического конденсатора. Позже посмотрим как он работает.
Отклеиваем защитную пленку от радиаторов и собираем комплект:
Прежде чем устанавливать драйвера в принтер, мне захотелось взглянуть на возможные настройки. Настраивать драйвера можно не только при работе принтера, но и подключив их к компьютеру, через интерфейс usb-uart. Интересно, что и rx и tx подключаются к одной ноге драйвера, но с использованием резистора. Вот по такой схеме:
Честно говоря, я тут мало что понял, а разбираться не хотелось, так что я довольствовался тем, что драйвер в принципе управляется через uart. На последней вкладке программы есть возможность OTP программирования — one time programmable memory. Один раз можно занести нужные значения в регистры драйвера и потом жить с этими значениями всю жизнь. Не разобравшись досконально было бы слишком безрассудно трогать эти настройки, так что я отсоединил драйвер и перешел к установке его в принтер.
Вскрыв принтер, я увидел вот что:
Красные модули — это и есть драйвера A4899, которые подлежат замене. Перво-наперво, снимаем вентилятор.
Далее подписываем все отсоединяемые провода и отсоединяем их.
Затем нужно включить принтер и измерить напряжение на стоящих драйверах. Нам нужно будет его выставить на новых. Напряжение измеряем между корпусом блока питания и контрольной точкой. Но мне проще было подключить щуп вольтметра к регулировочной отвертке и измерять непосредственно на регулировочном реостате. Иногда в комплект драйверов кладут керамическую отвертку, чтоб ненароком не коротнуть там что. Мне дали стальную и в этом свои плюсы — можно не орудовать там, среди контактов и проводов, сразу и отверткой и щупом, глядя при этом на экран вольтметра.
Итак, первый драйвер, он обозначен как E1 и он заведует вторым мотором на оси Z:
0.929 вольта.
Второй драйвер — экструдер:
Третий — первый мотор на оси Z:
0.927 вольта. Хорошо, что напряжения моторов по оси Z почти совпадают.
Четвертый драйвер — ось Y, перемещение стола:
1.012 вольта. Логично, что для перемещения тяжелого стола требуются бОльшие токи.
Наконец, ось X — движение каретки:
Я записал назначение каждого драйвера и его напряжение на бумажках и вложил их в пакетики из-под купленных драйверов. Туда же вложил снятые драйвера.
Все готово к установке? Нет, не все. Как я говорил, у новых драйверов поменяны местами выводы на обмотки моторов. Если их просто поставить, принтер будет перемещать, к примеру, каретку влево, а по факту она будет перемещаться вправо. Все это будет происходить до утыкания каретки в ограничитель, а потом пойдут пропуски шагов с характерным треском. Нам это не нужно, нам нужно, чтобы все работало и для этого у нас есть три варианта: а) перепрошить принтер, поменяв пару настроек в прошивке, б) поддеть скальпелем и вытащить из колодок два провода и поменять их местами и в) повернуть пластиковые детали разъемов другой стороной. Мне показалось, что последний способ наиболее простой. Слева разъем уже перевернул, следом в процессе, осталось еще четыре:
Казалось бы, вот и все. Но нет. Беда пришла, откуда не ждали:
Драйвера немного крупнее старых. Буквально, четверть миллиметра. Но как старые, гуськом, они уже не влезают.
Мне пришлось немного подпилить платы надфилем. Не все принтеры предусматривают такую рядную установку драйверов. Так что вам, возможно, делать ничего не придется.
После установки, но до подключения проводов, я выставил на драйверах нужные напряжения. Надо сказать, что они выставляются очень точно и до тысячной доли вольта выдерживаются в последствии. Что на старых драйверах, что на новых. Никакого дребезга контактов, никаких флуктуаций — выставил 0.944, значит будет 0.944, сейчас и через час.
Подключил провода. Первым делом, мне захотелось посмотреть, так ли необходимы эти модули защиты. Полистав интернет, я понял, что есть три аргумента в пользу их установки.
Первый: при переходе напряжения драйвера через 0 без этого защитного модуля возникает скачок, потому что существует некое ограничение на минимальную длительность шим-импульса, и совсем близкие к 0 напряжения драйвер выдать неспособен. С модулем все напряжение сдвигаются на напряжения открытия диода и скачок, таким образом, нивелируется.
Второй: в дельта-принтерах перемещение одной оси создает момент и на других. Их моторы в какой-то степени начинают работать как динамо, создавая противотоки. Таким образом возникает «эхо» перемещения одной оси на других осях, особенно заметное на гладких поверхностях с небольшой кривизной. Опыты с защитными модулями на дельтах это подтверждают, но у меня не дельта, и перемещение одной оси никак не влияет на другие.
Третий: защитные модули служат для защиты драйверов от токов, наводящихся при перемещении стола и экструдера. Конечно, я не собираюсь елозить столом как диджей, но мало ли. Посмотрим, в осциллограф, как меняется сигнал до и после модуля:
Сверху до, снизу после.
Крупнее, четыре варианта:
Ну что, эффект определенно есть, оставляем платы, хуже не будет.
Далее мне захотелось посмотреть что там у нас с температурой при работе. Массивные радиаторы намекали на то, что с ней могут быть проблемы. Вопрос с охлаждением еще предстояло решить, потому что если оставлять модули защиты, то новые драйвера занимали практически все место по высоте и старая схема уже была неприменима. Я воткнул термопару от токоизмерительных клещей между ребрами радиатора самого нагруженного драйвера — того, который перемещает стол.
Для эксперимента сделал временный обдув. Пробная печать — температура не достигла 50°C. Терпимо.
Заменил драйвер на старый, подключил термопару к нему — почти 60°C.
Похоже, с охлаждением все будет хорошо. Но старый вентилятор уже не поставить — места нет. В интернете нашел популярный вариант модернизации.
Но он мне не понравился: поток резко разворачивается на 90 градусов, причем в месте поворота заужение сечения вдвое. Так дела не делаются — решил я и нарисовал свой воздухоток.
Правда, вентилятор пришлось взять поменьше — 30 мм с толщиной 7 мм. Но снижение его производительности с лихвой компенсировалась снижением аэродинамических потерь по сравнению с распространенным угловым вариантом и прицельностью обдува по сравнению со штатной системой охлаждения.
Возникла еще одна проблема. Даже не проблема, а так — обстоятельство. Воздуховод касался крышки принтера. Не то чтобы он в нее упирался, но касался. А это могло привести к повышенному шуму. На всякий случай я решил немного понизить установку платы. Для этого нужно отпилить по миллиметру с четырех стоек, на которых установлена плата. Дремелем это делается за пару минут. А резьба в стойках похоже сквозная, так что винты нормально вкручиваются даже в укороченные стойки.
Воздуховод на месте:
Температура меня все еще немного беспокоила, и я решил посмотреть не на мгновенные ее значения, а, так сказать, охватить процесс в динамике. Для этого я использовал свой четырехканальный термометр, который пишет показания на флешку. Я его сделал в свое время для тестирования термоизоляционных свойств спальных мешков. На этот раз задействовал один первый канал.
Старые драйвера. Пробная печать небольшого объекта.
Печать еще не окончена, а температура уже 54 градуса.
Потом тот же объект, новые драйвера. И вот график изменения температуры:
Видно, что график 2208 уже близок к насыщению, а 4988 все еще имеет тенденцию к росту.
Но ведь тепло — это электричество, за которое мы платим? Наверное, на новых драйверах и потребление электричества ниже? Меньше греется блок питания, меньше крутится вентилятор, меньше рассеивают тепла двигатели? Посмотрим на тестовой печати:
Новые драйвера. Фильтр филамента потребовал 0,048 КВт.ч.
Старые драйвера. Та же модель, те же условия печати: 0,063 КВт.ч. На треть больше!
Новые драйвера не только тише и холоднее, они еще и сэкономят вам электричество.
Еще один тест: вибрации. Для него я поставил на телефон программу, отслеживающую вибрации, и телефон положил на печатающий принтер.
Новые драйвера: 3,4 балла. Конечно, цифры заметно менялись во времени, но 3,4 — типичное значение.
6 баллов! Вибрации, как и следовало ожидать, значительно сильнее.
Быть может, качество печати упало? Нам поможет кораблик Бенчи:
Сложно фотографировать белый кораблик при искусственном освещении. Поверьте на слово, оба комплекта драйверов дали практически неотличимый результат.
Теперь финальный и самый важный тест, из-за которого и затевался, весь обзор. Шум!
На телефоне запущен шумомер. Старые драйвера — под 50 дБ, новые — 40-45. Разница на самом деле сильнее, чем кажется по цифрам. Температура отличается на 10 градусов в пользу 2208.
По-моему, все предельно ясно. После установки драйверов остался слышен только шум кулеров. Шум — это не только вопрос комфорта. Достигнутый уровень шума позволяет ставить принтер в комнату где отдыхают люди. Запускать печать на ночь. За счет этого снова экономить на электричестве. Субъективно, шум стал на уровне шума от системного блока компьютера. Для такой машинерии, с множеством перемещающихся деталей, это очень хороший показатель.
Теперь, когда эксперименты позади, я окончательно распрощался со старыми A4899. А значит, с них можно снять их маленькие радиаторы и налепить на чип 2208 — хуже не будет. Тем более, что поток воздуха омывает драйвера с изнанки столь же эффективно, сколь и со стороны основного радиатора.
Вот и все, обзор получился однобокий, но честный. 2208 рвут 4988 по всем критериям.
P.S.: Ах да, чуть не забыл. Менеджер магазина просил передать, что устроил для вас, читателей этого обзора, скидку еще на 14% к той, что уже есть на сайте. Дополнительная скидка по купону BGfe75b2.
Теперь точно все. Спасибо за внимание.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.